Vom Magnetfeld zur Bewegung - ein detailliertes biophysikalisches Modell für die motorische Aktivierung durch TMS

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Knösche; Dr.-Ing. Konstantin Weise
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik ; Experimentelle und theoretische Netzwerk-Neurowissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 557520244

Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) des primären motorischen Kortex (M1) löst Muskelaktivität aus, die durch die Messung motorisch evozierter Potenziale (MEP) beobachtet werden kann. Die Umwandlung von TMS-induzierten elektrischen Feldern im Gehirn in MEPs, die von peripheren Muskeln aufgezeichnet werden, umfasst mehrere Schritte. Das zeitlich variierende Magnetfeld induziert ein dynamisches elektrisches Feld im neuronalen Gewebe, das die Membranpotenziale der Motoneuronen beeinflusst und ihre Aktivität verändert. Infolgedessen werden Aktionspotentiale erzeugt und über die Pyramidenaxone zu den Schaltkreisen im Rückenmark weitergeleitet. Dort werden sie weiterverarbeitet und lösen Signale aus, die über die peripheren Nerven zu den Muskeln wandern. Schließlich werden Aktionspotenziale der Muskelfasern ausgelöst, die eine Muskelkontraktion und an der Hautoberfläche messbare MEPs verursachen. Diese komplexe Verarbeitungskette ist nur teilweise verstanden. Daher bleiben die Schlussfolgerungen aus solchen Experimenten unscharf und spekulativ. Hier wollen wir die experimentellen und modellmäßigen Voraussetzungen schaffen, um diesen Prozess in seiner Gesamtheit zu untersuchen. Neben der Aufzeichnung der Handmuskelaktivität als Reaktion auf die Stimulation führen wir auch nicht-invasive Beobachtungen der absteigenden Spike-Volleys (D- und I-Wellen) über Oberflächenelektroden an Kopf, Hals, Rücken und Arm durch. Die Stimulation und alle Messungen werden durch biophysikalische Modellierung miteinander verbunden, wobei alle verfügbaren Kenntnisse über die Anatomie und Physiologie des Gehirns und des kortikospinalen Systems berücksichtigt werden. Dieses Modell umfasst die folgenden Komponenten: (1) genaue Vorhersage des effektiven elektrischen Feldes; (2) Lokalisierung der stimulierten Neuronen mit Hilfe einer zuvor entwickelten Regressionstechnik; (3) Beschreibung des Einflusses von elektrischen Feldern auf die Zustände der kortikalen Neuronen zur Erzeugung von D- und I-Wellen; (4) Beschreibung der Signalausbreitung entlang zentraler und peripherer Faserbahnen unter Berücksichtigung von Signaldispersion und ephaptischer Kopplung; (5) Aufbau eines Volumenleitermodells der Halsregion, um Spike-Volleys im Rückenmark mit Oberflächenaufzeichnungen zu verknüpfen; (6) Modellierung dynamischer Prozesse in den neuronalen Schaltkreisen des Rückenmarks; (7) ein numerisches Modell des Handmuskels und der Erzeugung von MEPs. Das Ergebnis ist ein Modellierungs-Framework, das anhand von anatomischen Daten und physiologischen Aufzeichnungen individuell angepasst werden kann und ein leistungsfähiges Testfeld für Theorien über das motorische System in Gesundheit und Krankheit bietet. Die Projektion von Veränderungen der MEP- und/oder EEG-Daten aufgrund einer motorischen Störung auf die Parameter des Modells würde beispielsweise Aufschluss über den Mechanismus der Krankheit und mögliche Behandlungsoptionen geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Dr. Vincent Chien